海上基础施工

川村茂慈(作者)*　巫燐(翻譯)**

昭淩工程顧問股份有限公司第二工程部　*技術長　**顧問

一、    在日本的海洋橋與海中基礎之歷史

(一)        長大海洋架橋的夢想

日本國土由4個較大島構成的列島，有無數的島與海灣，從生活上或產業發展而言，都有架設長大海洋橋梁的願望，各地方都想有如此技術上的夢想。那些嚴苛的海洋條件，由於技術上、產業發展上逐漸獲得解決，使日本固有海洋架橋的夢想得以實現。並且為將來100~200m級深海與3,000m以上跨徑的需求，正邁進於新資財與施工技術開發的課題。

(二)        海中基礎的歷史

橋梁的建造費以跨徑長為主要控制因素，為此在可能範圍希望於海中設置基礎。因此，將困難且複雜的海洋條件，以技術及施工來解決的過程即為海洋架橋的歷史。

1.    歷史–1 

在水深為10m左右時，與陸地或河川橋一樣做大規模圍堰進行大氣中（與水中之相對詞，即露天，以下相同）施工。在此時期，上部結構的長大化成為關鍵課題，而依其建造費與經濟價值的評估成為決定新建與否的因素。

例如若戶大橋、關門大橋、因島大橋等。

2.    歷史–2 

在水深15m以上時，在大氣中施工是不可能的事，乃正式著手開發海中基礎施工。其代表性的研究成果有海中挖掘並設置沉箱或樁為主體的多柱式基礎。在其初期有天草橋梁工程的4號橋，以設置沉箱方式施工。在本州四國連絡橋架設（以下簡稱本四架橋），需要在40 ~ 50m水深設置基礎的技術，因此施做如下3座橋梁為實驗橋梁。

(1)    黑之瀨戶大橋—在急潮流、颱風經過地區而必須在短時間內保持穩定的條件下，在海中挖掘（用碎岩船、抓斗浚渫船）後，用起重機吊下鋼製沉箱模型，投入砂石增加重量以對抗潮流使沉箱穩定，再注入水泥砂漿做成預壘混凝土（Pre-packed Concrete）以完成基礎。此工法已發展成岩盤上做基礎的主流，而以南‧北備讚瀨戶大橋為其代表作。

(2)    大島大橋（山口縣）—位於急潮流的橫斷海峽橋梁，計畫是採用多柱式基礎。將當做作業基地的浮台拖曳至定點後投下臨時支撐樁（Spats），然後從千斤頂所頂起的浮台打設基樁的工法，對急潮流的短期穩定有功效。此工法已發展至本四架橋中的大鳴門大橋之巨大基礎。但，對地震而言自重的支持力有問題。單憑基樁工法而言對軟弱地盤也有其功能。

(3)    廣島大橋—對軟弱地盤與很大的潮汐，需要有短期的穩定措施，因此將直徑10m 、長25m的混凝土筒用大型起重船（當時最大的2,000T級）吊下去使之穩固。由此大型起重機的高效性獲得好的評價，以後更陸續大型化（現在最大為4,200T），而活躍於橋梁、港灣、海上機場、大型船塢（Dock）等工程。

3.    歷史–3  至明石大橋為止

以後各地方陸續進行海中基礎之施工。這些都是由陸續開發的新技術所貢獻。明石大橋的海中基礎是對50m水深的挑戰，是集結水中挖掘船、大型起重船、大型鋼殼製造與拖曳沉設、水中不分離性混凝土（代替預壘混凝土者）等的綜合技術所完成。

如以上所述，由於技術進步而能夠施作海中基礎，增加計畫架橋路線的自由性，從此岸至彼岸開始的海上橋梁時代，已演變為海洋架橋時代。現在正進行硬質地盤以水深約50 ~ 60m程度、軟弱地盤以水深約25 ~ 30m程度為目標，設置海中基礎之架橋計畫。今後的橫斷津輕海峽、橫斷東京灣口、橫斷伊勢灣、橫斷豐後水道等計畫，需要設置水深100m以上的海中基礎，因此正進行技術開發，等待著其實現的一天。如此可見海洋架橋並不是單純的土木技術，是需要集結各種產業的力量才能實現，因此綜合評價應歸功所有建設事業的技術貢獻。

二、    海上橋梁與技術開發

大規模海中基礎需要技術開發，而技術開發非集聚產業所支持的總合技術力不可。所開發的主要技術如下。

(一)    大型作業船隻

起重船—建造多艘如前所述的最大為4,200T的起重船。混凝土拌合廠船—為巨大的海上工場，能供給大量混凝土而活躍於大規模的工程。（如東京灣橫斷道路的橋梁與人工島、明石大橋、關西國際機場等）

大型SEP（自動升降式駁船）—投下4根支撐樁，用千斤頂將船體頂升至海面上，以其自重與樁的支撐力穩住。以後將船體當做作業基地進行各種海中工程。

挖掘浚渫船—將軟硬地盤挖掘成形的船。已開發了同時具備挖掘功能與浚渫功能的船。有支撐樁固定型與錨碇固定型兩種。

打樁船—搭載蒸氣錘才能打設大口徑樁，活躍於關西國際機場連絡橋、東京灣橫斷道路橋，同時各種港灣工程、築島工程亦不可或缺的船。

地盤改良船—使用於整修當做橋梁基礎的海中軟弱地盤之施工基面。在海上機場、軟弱地盤的圍堰護岸工程不能缺少的船。

(二)        大型氣壓沉箱工法

開發了築島困難（施工性與經濟性）的水深及在軟弱地盤要沉設大型沉箱所需水中構架棧台（Jacket）、大型鋼模製作與拖曳、隨澆注內部混凝土的緩慢沉設、設置移動式氣壓挖掘的複合技術等。對水面下30m以上的挖掘需要補助工法，於是開發了各種降低地下水位工法、混合氦氣（Helium）氣壓工法、各種無人挖掘工法（機械式、機器人式等），而且已能沉設至水面下60m的深度。（如名古屋港的3大橋等） 

(三)        水中不分離性混凝土

初期的水中混凝土澆注，在小規模工程是用托密管（Tremie)澆注一般的混凝土；在大規模工程則在水中模板內填塞骨材後注入水泥砂漿的預壘混凝土工法為主流。這些工法的確保品質與確認有困難，而且需要將全部工程一口氣連續至完成。為改良此缺點而開發水中不分離混合料，變成能在水中穩定澆注混凝土。由此也可以部份澆注，以及做為鋼筋混凝土的澆注，能做各式各樣結構的施工。現在是以此混凝土為前題辦理海中基礎的計畫。

(四)        鋼管樁井筒工法

在海中的圍堰工程非常困難。與河川或陸地不同，要受水深、潮位、潮流、波浪等影響，臨時結構物就變為非常昂貴且困難。為此，開發以遮水性高、剛性大的鋼管樁當做沉箱利用，抽排井筒內水施做驅體後，將遮水部份以水中切斷拆除的方法。現在成為未滿10m，跨徑100m左右橋梁的主流。（東京灣橫斷道路淺海部份的橋梁及其他多數）

(五)        各種水中橋墩

在軟弱地盤的多柱式基礎，橋墩受地震慣性力的影響很大，因此規模會變大。將橋墩與樁的結合點降低，可獲得對地震時有利的效果。為此開發了水中模板（鋼製、混凝土製），以及本體沉設後在水中澆注水中不分離性混凝土的工法。（關西國際機場連絡橋、東京灣橫斷道路中深水部份橋梁及其他多數）

(六)        萬能大口徑樁鑽掘機

能應付軟弱地質的大口徑樁鑽掘，對大規模結構物是相當重要的事，因此開發各種樁鑽掘機並已普遍化。其代表性的有全旋轉（360º）樁鑽掘機，由強大的動力裝置旋轉套管，用錘抓斗（Hammer Grab）或反循環（Reverse Circulation）方式排土的工法，可做到深度60m而口徑為4m的鑽掘。岩盤或礫石層都沒問題，在日本也已成為陸地上的標準工法。

(七)        地下連續壁工法

是應用需要入土超大深度（100m以上）的大規模地下結構物，如大規模地下油槽（石油儲備槽、煉鐵高爐基礎等）所開發的工法。在白鳥大橋（北海道）、東京灣橫斷道路靠川崎縣端人工島所選定的工法。無論何者水深都在25m左右，所使用的鑽掘機能鑽至厚度（壁厚）4m，垂直精度也相當高。

三、    海中基礎計畫的條件

在日本所計畫、施工的橋梁海中基礎有各種各樣，沒有一座是同樣的東西。那是由於場所、時期、各種條件不同所至。吾人必須從其條件與課題特質追求最恰當的結構形式與施工方法始可。在道路橋方面，與計畫相關的條件如下。

1.    道路條件─規畫、交通荷重、路寬、線形等

2.    空間條件─航路條件、航空管制等

3.    上部結構條件─規模(跨徑、寬度等)、反力、施工時相關事項等

4.    海象條件─潮位（潮汐）、潮流（速度、方向）、波浪等

5.    氣象條件─天候（可工作率）、風雨、霧、溫度‧濕度等

6.    地震條件─發生機率、性質、等級等

7.    地形條件─海底縱斷‧橫斷地形（水深與坡度等）

8.    地質條件─土質‧岩質條件、底質條件等

9.    環境條件─海中污染與擴散、對海中動物的影響、景觀等

10.    補償條件─漁業補償、環境補償、用地補償、特殊沿岸補償等

11.    維護管理條件─維修成本、管理技術、維護對策等

12.    材料供應條件─主要供應材料、加工‧臨時堆置、運輸條件等

13.    器材供應條件─假設材料器材、施工器材（海上、陸上）、作業船隻等

14.    勞務供應條件─原地回饋、特殊供應等

15.    基地經營條件─管理‧加工‧組立、材料製造廠、臨時堆置場等

16.    航行安全條件─航路‧航行路的安全對策、施工海域的設定等

17.    船隻安全條件─通常航行、異常時（暴風、濃霧等）、施工時、應對衝撞等

18.    危機管理條件─應對戰時、應對特別災害等

四、    海洋的特質（潮位、潮流、波浪、其他）

海洋架橋無論是上部結構、下部結構都與陸上（含河川）不同，需要具備克服海洋特有嚴厲自然條件的計畫與施工。在海中基礎方面，必須依據這些調查來選擇能確認安全、最適當結構形式與施工方法，並且必須與地區的產業基礎條件、社會條件等的整合才做決定。成問題的主要海洋條件為潮位、潮流、波浪。這些雖相互關連，但其特性以日本的情形為例簡述如下。

1.    潮位（潮汐）─原則上由潮的漲落產生，最危險的是由風引起的高潮、異常海流的干擾所附加的潮汐。潮位的表示如下。

(1)    H.H.W.L—極高高潮位（包含異常時的高潮位）

 (2)    H.W.L——朔望平均高潮位（滿潮位）

(3)    M.W.L——平均潮位                             平均潮位差   

(4)    L.W.L ——朔望平均低潮位（落潮位）

(5)    L.L.W.L —極低低潮位（包含異常時的低潮位）

另外為擬定施工計畫，也需要小潮時的平均潮位。一般在外海的潮位差小，受海底（水深較淺）干擾的內海、海峽、灣、沿岸部份則會有較大潮位差的地方。東京灣的潮位差為1 ~ 2m，本四架橋的瀨戶內海為4m左右，在有明海（九州）則超過7m。這些與河川的H.W.L（50~100年頻率）不同，是時常發生（原則上每個月2次的大潮時），成為海中基礎穩定度需的確認事項。圍堰工程的困難度與潮位差有關係，所以需要合理的海中工程計畫。異常潮位由其特質與結構物的特質、施工時的特質來判定應有的措施。

2.    潮流—這是由潮汐、海流、河流所合成，但在沿岸地區絕大多數是受潮汐的影響。對海中結構物的影響而言，完成時要確認對最大潮流力（大小、方向）之作用為安全，施工時要依據所擬定採用工法所具有的特性（施工階段應有的進度與時間）設定其潮流的狀態。

潮流的大小與方向，隨水面及深度而不同，尤其需要掌控海面上的廣大範圍。在狹窄海峽中心處的潮流遠超過10節（8.15m/s），也會變為不能施工的情形。在黑之瀨戶大橋靠近沿岸為6節的地點，就設定施工時的潮流為2節。在大島大橋則設計、施工均設定為8節。

3.    波浪—幾乎都由風波產生，偶而有海嘯的影響。可區分為氣壓差和風影響的外海波，與風的方向特性和吹送距離（Fetch）所合成的內海波。這些可由廣域海洋條件或內海條件所計算的海上浪濤（高度、周期、速度）設定，或由長年的觀測資料來設定。而且海上浪濤是視對象結構物的性質，由受海底（深度及坡度等）狀況的影響（有限波、透過波、重複波、碎波），或海底地形及沿岸的影響（干擾、曲折等）來設定。

波浪由波高、流速、水深、海底波度區分為進行波與碎波，進行波以重複波力、透過波力作用於海中結構物；碎波則以碎波力（壓）及衝擊碎波力（發生於波破碎的水深地點）作用於海中結構物。施工時雖必須視工作方法與時期、時間（瞬時、短時、中期、長期）設定波浪大小，但仍需要與有經驗者、認識現地狀況者、專家們協商後設定。

4.    其他—關於海中基礎（結構物）的施工，還必須考量天候（晴雨、霧度等的工作率、溫度‧濕度的管理）後制定。在海中工程一定存在著短期的重要階段。例如在設置沉箱工作，要沉設鋼殼結構時（由起重船吊下、從浮力拖曳至沉設）的瞬時對應、須對潮流與波浪的短期穩定處理等，這些將隨海洋條件的設定，處理方法與規模會有所不同。

五、    代表性海中基礎

(一)        海中基礎的種類與工法

1.    硬質地盤（岩盤及硬質洪積地盤）

(1)    設置沉箱基礎（海底挖掘成型後設置）

        鋼殼（鋼製模型）　　      拖曳沉設

  （預壘、水中混凝土）

    用起重船沉設

 （預壘、水中混凝土）

　　　　混凝土                    拖曳沉設

（注水穩定、澆注混凝土穩定）

  用起重船沉設

（注水穩定、澆注混凝土穩定）

(2)    樁基礎

   多柱式基礎      完全水上橋墩（支撐樁固定及頂起）

半水中橋墩（利用浮力體打樁後固定）

水中橋墩　　　  水中混凝土結合（打樁後沉設鋼殼）

沉埋式結合（打樁後沉設鋼殼、與樁機械式接合後排除內部水、在大氣中做橋墩工程）

(3)    複合基礎

設置沉箱（鋼殼）+ 樁        沉箱先行施工型

   樁先行施工型

混凝土涵體 + 樁             涵體先行施工型

樁先行失工型

2.    沖積地盤、軟弱洪積地盤、脆弱（風化）岩盤

(1)    樁基礎

鋼管樁　　　 多柱式基礎　　　  先打樁、設置橋墩

海中棧台、打樁

   水中橋墩         先打樁、橋墩水中結合

（水中混凝土）

　混凝土樁　　　  多柱式基礎       先打樁、設置橋墩

（鋼製套管）　　　　　　　   　    海中棧台、打樁

   水中橋墩         先打樁、橋墩水中結合

（水中混凝土）

(2)    沉箱基礎

氣壓沉箱　　   總括設置、氣壓挖掘下沉（混凝土有利）

  靠海中工作架緩慢下沉、氣壓挖掘

（鋼模工法有利）

開口沉箱       總括吊入方式

   人工島（築島或水中構架）方式

(3)    其他

複合結構　     沉箱  樁       參閱硬質地盤

鋼管樁井筒

地下連續壁基礎（人工島方式）

海中構架（應用海底油田開發技術）

(二)        設置沉箱工法（鋼模及鋼殼結構） 圖一

﹝實例﹞─黑之瀨戶大橋（鹿兒島縣）、本州四國瀨戶大橋線（南-北備讚瀨戶大橋、櫃石島‧岩黑島橋）、明石大橋、多多羅大橋

這些是硬質地盤（岩盤、硬質洪積層地盤）的標準工法。最大的是明石大橋的海中橋墩，是在60 m水深施作直徑80m的沉箱。

﹝標準施工程序﹞海底挖掘→鋼模（鋼殼）拖曳與沉設→短期穩定處置→長期穩定處置→橋墩構築

1.    海底挖掘─用浚渫船與碎岩船的共同作業，但也有一艘具備相同功能的船。

2.    鋼模（鋼殼）拖曳與沉設─鋼模（鋼殼）在遙遠的工場（含造船船塢）製作組立，也有將構件搬運到臨近基地後組立的方法。搬運有漂浮拖曳、用大型起重船吊起搬運及半水中拖曳的方式。沉設有用起重船沉設與增加重量沉設（包含減少浮力工法），也有其併用的方式。這些是由規模、海洋條件、器材供應條件、地區條件等的綜合判斷來設定，因此在各實例有所不同。

3.    短期穩定處置─沉設作業在海洋條件的良好期（小潮時的潮汐差最小時、潮流速度最小期）而氣象安定期（風波穩靜期）實施。在這些條件（通常約為1星期的條件）下，能以使它穩定的重量沉設時就無問題，若重量不足時就必須採取瞬時的穩定處置。對應方法是裝載各種荷重(加載重物、與岩盤錨碇結合、澆注混凝土、投入骨材等)。

4.    長期穩定處置─因應施工區域與時期的海象‧氣象條件產生的危險時條件，必須增加重量至穩定的重量。以往以投入骨材

5.    注入水泥砂漿的預壘混凝土工法為主流，但明石大橋則以水中混凝土為主流。

6.    橋墩構築─在長期穩定條件下，在遮水壁內進行橋墩工程。

(三)        設置沉箱工法（混凝土製）

﹝實例﹞─本四架橋來島海峽大橋、長崎灣口橋梁等。

原則上與上述工法相同，製作、搬運、沉設等條件良好時，或者短‧長期的穩定處置困難時，採用初期重量大的混凝土涵體的沉設工法較佳。

(四)        多柱式基礎工法  圖二

﹝實例﹞─大島大橋 (山口縣)、本四架橋、大鳴門大橋、伊唐島大橋（鹿兒島縣）等。

適用於硬質地盤或風化岩盤。軟弱地盤的特殊實例有橫濱海灣橋。本工法在短‧長期的海洋條件（尤其是潮流）具有瞬時穩定的優點。

﹝標準施工程序﹞─製作作業台→拖曳→沉設支撐樁做穩定處置→頂起作業台→沉設樁套管→鑽掘及構築樁→構築橋墩。

1.    製作作業台─在遙遠基地或臨接基地製作，進水後裝備索具成為施工棧台。

2.    拖曳至設置位置並予以固定。一般採用錨碇固定。

3.    沉設支撐樁做穩定處置─將設置於作業台的鋼製臨時樁投入海中，由其支撐謀求短期穩定。

4.    頂起作業台─以臨時支撐樁為導桿將作業台用千斤頂頂高。視其支撐力與重量，長期穩定位置有所不同，可選擇為完全水面方式或半水中方式。利用SEP（自動升降式駁船）時，可替代作業台。（伊唐島大橋）

5.    沉設樁套管─從作業台沉設鋼套管。鋼套管利用做防蝕用。

6.    鑽掘及構築樁─在大島大橋與大鳴門大橋，將沉箱沉設至能遮斷海水的位置為止，然後用人力挖掘岩盤構築基樁。在伊唐大橋用全旋轉（360º）裝置沉設套管，而以反循環工法鑽掘並構築基樁。

7.    構築橋墩─拆除樁鑽掘裝置及臨時支撐樁後構築橋墩。有將作業台利用做結構體的情形與利用做鋼模（兼用做防蝕用）的情形。

8.    特殊例的橫濱海灣橋─從製作成混凝土涵體並拖曳定妥的作業台，沉設直徑10m的混凝土井筒。作業台被利用做水中浮力體。

(五)        水中橋墩基礎工法  圖三

﹝實例﹞首都高速道路‧荒川灣岸橋、關西國際機場連絡橋、東京灣橫斷道路‧中水深處橋梁、其他。

多柱式橋墩在水面附近的地震慣性力，及作用於樁或橋墩的潮流與波力會加大海底面應力。在軟弱地盤，為變位就要變成大規模的構造，也有不可能這樣做的地方。將樁與橋墩的結合點降至海底附近，則能做成規模小而變位較小的結構物。雖已開發各種工法，但現在以鋼管樁外側沉設鋼殼結構後，澆注水中混凝土結合的方法成為定形的標準工法。（實例的荒川灣岸橋為初期採用預壘混凝土施工的橋梁）

今後，由於硬質地盤在力學上也有優越性，因此相信採用大型作業船隻的工法將在各地方實施。

(六)        大規模氣壓沉箱工法 圖四

﹝實例﹞名古屋港‧伊勢灣岸道路橋梁（西大橋、大橋、東大橋）、其他。

此為在軟弱地盤、大規模而需要很深基礎所選擇的工法，對水深比較淺（15m左右）、潮流與短期波力的條件也有利。

海底地盤補強（更換為砂質、地盤改良）後，設置海中構架，搬運（拖曳或用大型起重船吊入）鋼殼（包含海中鋼模）並予繫住。以後在鋼殼內以大氣壓下進行混凝土工程，隨著重量之增加而下沉，設置於海底後以氣壓挖掘使之下沉。

海中的氣壓沉箱，由於水深與從海底的深度產生很大的作業氣壓，一般的人力挖掘（通常自水面25m）有困難，因此需要補助工法。乃開發水位降低工法（深井Deep Well等）、氦氣混合氣壓工法、無人挖掘工法（機械式、機器人式等）。而且在潮位差大的海域，對其氣壓會產生危險的影響，不過在韓國仁川已刻服了10m的潮位差。

(七)        鋼管樁井筒工法  圖五 

﹝實例﹞東京灣橫斷道路橋梁‧淺海部份、其他多數。

本工法為樁工法、沉箱工法與築島、圍堰工法相關連，為了大深度臨時設施結構物及緩和潮位差的影響，將本體、圍堰當做兼用結構所研發的工法。鋼管樁有高止水性、成一體時的剛性大、以及止水部份的拆除（水中剪切）容易等良好評價，於是無論水中或陸上都普及為標準的工法。現在此工法在海中基礎，使用於比較淺部份與短跨徑部份（100 ~ 200m程度），但由於利用大口徑鋼管樁與大型作業船，認為也將適用於大規模的結構工程。

六、    在日本海洋架橋的規範（道路橋）

(一)        道路橋示方書（財團法人日本道路協會）

1.    共通編

2.    鋼橋編

3.    混凝土橋編

4.    下部構造編

5.    耐震設計編

原則上所有道路橋要以道路橋示方書（規範）為基本從事計劃、設計、施工。但，示方書原則上適用於跨徑200m以下，對於超過此跨徑的橋梁，需對其業主（如本州四國連絡橋公團等）或個別橋梁擬定指導指針（指南）、特別仕樣書（說明書）等。

(二)        本州四國連絡橋技術關係基準(上下卷)

(財團法人 海洋架橋調查會)

(三)        港灣設施技術基準‧

同解說(上下卷) (社團法人 日本港灣協會)(二)、(三)利用於示方書未規定的一般性海象、氣象的條件設定。

(四)        其他、關於特定橋梁者

關於關西國際機場連絡橋、東經灣橫斷道路及其他長大海洋架橋，為因應其海域、地區特性，對設計、施工、管理有所規定的指針、仕樣。

(五)        工程記錄

對特定的各橋梁都有編撰工程報告書。這些是由學術專家、發包官署、有設計‧施工經驗者組成各種委員會，從事業當初就記錄其來龍去脈，做為類似事項的參考。